Apoteket har en næse

I artiklen nedenfor vil vi se på lugteproblemet gennem en kemikers øjne - hans næse vil trods alt komme til nytte i hans laboratorium i det daglige.

1. Innervation af den menneskelige næse - fortykkelsen over næsehulen er lugteløget (forfatter: Wikimedia/Opt1cs).

Vi kan dele følelser fysisk (syn, hørelse, berøring) og mere primære end dem kemiskaltså smag og lugt. For førstnævnte er der allerede skabt kunstige analoger (lysfølsomme elementer, mikrofoner, berøringssensorer), men sidstnævnte har endnu ikke overgivet sig til videnskabsmænds "glas og øje". De blev skabt for milliarder af år siden, da de første celler begyndte at modtage kemiske signaler fra deres miljø.

Lugtesansen blev med tiden adskilt fra smag, selvom dette ikke forekommer i alle organismer. Dyr og planter lugter konstant deres omgivelser, og den information, der opnås på denne måde, er meget vigtigere, end den ser ud til ved første øjekast. Også for visuelle og auditive elever, herunder mennesker.

Olfaktoriske hemmeligheder

Når du inhalerer, strømmer luftstrømmen ind i næsen, og før den bevæger sig videre, kommer den ind i specialiseret væv - lugteepitelet, flere centimeter i størrelse.². Her er enderne af nerveceller, der registrerer lugtstimuli. Signalet modtaget fra receptorerne kommer ind i lugtepæren i hjernen og derfra til dens andre dele (1). Fingerspidsen indeholder duftprøver, der er specifikke for hver art. En person kan genkende omkring 10 af dem, og uddannede parfumeprofessionelle kan genkende mange flere.

Lugte forårsager reaktioner i kroppen, både bevidst (f.eks. viger du fra en ubehagelig lugt) og underbevidsthed. Marketingfolk bruger kataloget over parfumeforeninger. Deres idé er at dufte luften i butikkerne med duften af ​​juletræer og honningkager i nytårsperioden, hvilket vækker positive følelser hos alle og øger lysten til at købe gaver. Ligeledes vil duften af ​​frisk brød i købmandsgangen få din mund til at løbe, og du vil tilføje mere til din indkøbskurv.

2. Kamfer bruges ofte i varmende salver. Tre forbindelser med forskellige strukturer har deres egen lugt.

Men hvad får et givet stof til at forårsage denne særlige lugtefornemmelse og ikke en anden?

For lugtesmagen er der etableret fem grundsmage: salt, sødt, bittert, surt, oun (kød) og samme antal receptortyper på tungen. I tilfælde af lugt vides det ikke engang, hvor mange grundaromaer der findes, eller om de overhovedet findes. Molekylernes struktur bestemmer helt sikkert lugten, men hvorfor er det, at forbindelser med en lignende struktur lugter helt anderledes (2), og fuldstændig uens - det samme (3)?

3. Sammensætningen til venstre lugter som moskus (parfumeingrediens), og til højre - næsten identisk i struktur - har ingen lugt.

Hvorfor lugter de fleste estere behageligt, men svovlforbindelser lugter ubehageligt (dette faktum kan sikkert forklares)? Nogle mennesker er fuldstændig ufølsomme over for visse lugte, og statistisk set har kvinder mere følsomme næser end mænd. Dette tyder på genetiske forhold, dvs. tilstedeværelsen af ​​specifikke proteiner i receptorer.

Der er i hvert fald flere spørgsmål end svar, og der er udviklet flere teorier til at forklare duftens mysterier.

Nøgle og lås

Den første er baseret på en dokumenteret enzymatisk mekanisme, hvor reaktantmolekylet passer ind i enzymmolekylets hulrum (aktivt sted) som en nøgle i en lås. De lugter således, fordi formen på deres molekyler matcher hulrummene på receptorernes overflade, og visse grupper af atomer binder sig til dens dele (på samme måde som enzymer binder reaktanter).

Dette er i en nøddeskal teorien om lugt udviklet af en britisk biokemiker. John E. Amurea. Han identificerede syv hovedaromaer: kamfer-moskus, blomster, mynte, æterisk, krydret og rådden (resten er kombinationer af disse). Molekyler af forbindelser med en lignende lugt har også en lignende struktur, for eksempel dem med en sfærisk form lugter som kamfer, og forbindelser med en ubehagelig lugt omfatter svovl.

Strukturteorien har haft succes - for eksempel forklarede den, hvorfor vi stopper med at opfatte lugt efter et stykke tid. Dette skyldes blokering af alle receptorer af molekyler, der bærer en given lugt (det samme som i tilfælde af enzymer optaget af overskydende substrater). Imidlertid kunne denne teori ikke altid etablere en forbindelse mellem den kemiske struktur af en forbindelse og dens lugt. Hun var ikke i stand til med rimelig sandsynlighed at forudsige lugten af ​​et stof, før hun fik det. Hun kunne heller ikke forklare den intense lugt af små molekyler som ammoniak og svovlbrinte. Ændringerne foretaget af Amor og hans efterfølgere (herunder at øge antallet af basissmag) eliminerede ikke alle manglerne i strukturteorien.

vibrerende molekyler

Atomer i molekyler vibrerer konstant, strækker og bøjer bindingerne mellem sig, og bevægelsen stopper ikke selv ved absolutte nultemperaturer. Molekyler absorberer vibrationsenergi, som hovedsageligt ligger i det infrarøde strålingsområde. Dette faktum blev brugt i IR-spektroskopi, som er en af ​​hovedmetoderne til at bestemme strukturen af ​​molekyler - der er ikke to forskellige forbindelser med det samme IR-spektrum (bortset fra de såkaldte optiske isomerer).

Skabere vibrationsteori om lugt (J.M. Dyson, R.H. Wright) der er fundet sammenhænge mellem vibrationsfrekvens og opfattet lugt. Vibrationer med resonans forårsager vibrationer af receptormolekyler i lugteepitelet, som ændrer deres struktur og sender en nerveimpuls til hjernen. Det blev antaget, at der var omkring tyve typer receptorer og derfor det samme antal basisaromaer.

I 70'erne konkurrerede tilhængere af begge teorier (vibrations- og strukturelle) indædt med hinanden.

Vibrio-forskere forklarede problemet med lugten af ​​små molekyler ved, at deres spektre ligner fragmenter af spektrene af større molekyler, der har en lignende lugt. De kunne dog ikke forklare, hvorfor nogle optiske isomerer med samme spektre har helt forskellige lugte (4).

4. Optiske isomerer af carvon: Grad S lugter som kommen, klasse R lugter som mynte.

Strukturalister forklarede let dette faktum - receptorer, der fungerer som enzymer, genkender selv sådanne subtile forskelle mellem molekyler. Vibrationsteorien kunne heller ikke forudsige styrken af ​​lugten, hvilket tilhængerne af Amors teori forklarede med styrken af ​​bindingen af ​​lugtbærere til receptorer.

Han forsøgte at redde situationen L. Torinotyder på, at lugteepitelet fungerer som et scanning tunnelmikroskop (!). Ifølge Torino flyder elektroner mellem dele af receptoren, når der er et fragment af et aromamolekyle med en vis vibrationsfrekvens imellem dem. De resulterende ændringer i receptorens struktur forårsager overførsel af en nerveimpuls. Ændringen af ​​Torino virker dog for ekstravagant for mange videnskabsmænd.

fælder

Molekylærbiologi har også forsøgt at opklare lugtens mysterier, og denne opdagelse er blevet tildelt Nobelprisen flere gange. Humane lugtreceptorer er en familie på omkring tusind forskellige proteiner, og de gener, der er ansvarlige for deres syntese, er kun aktive i lugteepitelet (dvs. hvor det er nødvendigt). Receptorproteiner består af en spiralformet kæde af aminosyrer. På billedet af en tværbindingssøm punkterer en kæde af proteiner cellemembranen syv gange, deraf navnet: syv-spiralformede transmembrancellereceptorer ().

Fragmenter, der rager uden for cellen, skaber en fælde, hvori molekyler med den passende struktur kan trænge ind (5). Et specifikt G-type protein er knyttet til receptorstedet nedsænket inde i cellen.Når et lugtmolekyle fanges i en fælde, aktiveres og frigives G-proteinet, og i stedet hæfter et andet G-protein, som aktiveres og frigives igen osv. Cyklussen gentages, indtil det bundne aromamolekyle frigives eller ødelægges af enzymer, der løbende renser overfladen af ​​lugteepitelet. Receptoren kan aktivere endda flere hundrede G-proteinmolekyler, og en så høj signalamplifikationsfaktor gør det muligt for den at reagere på selv spormængder af smagsstoffer (6). Det aktiverede G-protein starter en cyklus af kemiske reaktioner, der fører til afsendelse af en nerveimpuls.

5. Sådan ser lugtreceptoren ud - protein 7TM.

Ovenstående beskrivelse af funktionen af ​​olfaktoriske receptorer svarer til den, der præsenteres i strukturteorien. Da bindingen af ​​molekyler sker, kan man argumentere for, at vibrationsteorien også var delvist korrekt. Det er ikke første gang i videnskabens historie, at tidligere teorier ikke var helt forkerte, men blot var tættere på virkeligheden.

6. Den menneskelige næse som detektor for forbindelser i analysen af ​​deres kromatografisk adskilte blandinger.

Hvorfor lugter noget?

Der er mange flere lugte, end der er typer af lugtereceptorer, hvilket betyder, at lugtmolekyler aktiverer flere forskellige proteiner på samme tid. baseret på hele sekvensen af ​​signaler, der kommer fra bestemte steder i lugtepæren. Da naturlige dufte indeholder endnu mere end hundrede forbindelser, kan man forestille sig kompleksiteten af ​​processen med at skabe en olfaktorisk fornemmelse.

Okay, men hvorfor lugter noget godt, noget ulækkert og noget slet ikke?

Spørgsmålet er halvt filosofisk, men til dels kan det besvares. Hjernen er ansvarlig for lugteopfattelsen, som styrer menneskers og dyrs adfærd, retter deres interesse mod behagelige lugte og advarer dem mod ildelugtende genstande. Lokkende lugte findes blandt andet i de estere, der er nævnt i begyndelsen af ​​artiklen, frigives af modne frugter (så værd at spise), og svovlforbindelser frigives fra rådnende rester (bedre at holde sig væk fra dem).

Luften lugter ikke, fordi det er baggrunden, som lugte spredes mod: dog spormængder af NH3 eller H₂S, og vores lugteorgel vil slå alarm. Således er opfattelsen af ​​lugt et signal om indflydelsen af ​​en bestemt faktor. forhold til arter.

Hvordan lugter de kommende højtider? Svaret er vist på billede (7).

7. Duften af ​​jul: til venstre, honningkagesmag (zingerone og gingerol), til højre juletræer (bornylacetat og to varianter af pinen).